本發(fā)明為軸承、機(jī)械設(shè)備等關(guān)鍵部件的表面改性涂層制備。本發(fā)明涉及的是一種多相混合的滋潤滑固體膜層及其制備方法。具體是基于離子束技術(shù)通過金屬真空蒸汽離子源以及磁過濾沉積系統(tǒng)制備多相共混的固體滋潤滑膜層。

技術(shù)背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各種極端條件的出現(xiàn)，現(xiàn)有的設(shè)備關(guān)鍵部件的本體材料已不能滿足長壽命要求，特別是涉及摩擦磨損的關(guān)鍵部件。這些關(guān)鍵部件主要是依靠摩擦副來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，同時(shí)摩擦副傳遞能量的過程也必然導(dǎo)致該部件的損耗，這些不斷積累的損耗將降低工作效率、工作精度、穩(wěn)定性和可靠性，這對(duì)于整體設(shè)備來說是最致命的。材料表面改性是提高本體材料耐磨最為有效的關(guān)鍵技術(shù)之一。材料表面改性基本不改變本體材料的力學(xué)、電學(xué)性能，也基本不改變材料本身的尺寸精度，同時(shí)能夠大幅提高本體材料的表面硬度，降低摩擦損耗，能夠大幅減小材料成本，提高關(guān)鍵部件的使用壽命。能，從而顯著提高材料的使用壽命和工作效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約原材料、降低能源消耗等目的。由于碳基薄膜具有硬度高和摩擦系數(shù)低的性能特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的耐磨損薄膜材料，吸引著許多薄膜材料研究工作者，成為世界各國爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)薄膜材料之一。碳基涂層如四面體類金剛石(ta-diamond-likecarbon，簡(jiǎn)稱ta-dlc)薄膜是以碳為基本元素構(gòu)成的一種非晶材料。類金剛石薄膜(dlc)它在結(jié)構(gòu)上屬于非晶亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的無定形碳，是由sp3雜化和sp2雜化碳組成：薄膜中sp3結(jié)構(gòu)決定了類金剛石薄膜具有諸多類似于金剛石的優(yōu)良特性，而sp2結(jié)構(gòu)決定了類金剛石薄膜又具有很多石墨的特性，國際上將硬度超過金剛石硬度20％的絕緣硬質(zhì)無定形碳膜稱為類金剛石膜。在制備工藝方面，類金剛石薄膜(dlc)沉積溫度較低，沉積面積大，膜面光滑平整，工藝相對(duì)成熟。在實(shí)際應(yīng)用方面，由于dlc薄膜在真空條件下和低溫下均具有良好的潤滑耐磨性能，因此可有效解決某些特殊工況下活動(dòng)零部件表面潤滑等的技術(shù)難題。

眾所周知，碳膜的耐磨性能隨著環(huán)境的變化而發(fā)生較大變化，如磁過濾沉積制備的四面體類金剛石膜層(ta-c)在高濕環(huán)境下摩擦系數(shù)一般可低至0.04，但隨著濕度的降低當(dāng)降到20％或一下摩擦系數(shù)迅速增至0.7左右，耐磨性能迅速下降；再如化學(xué)氣相沉積制備的含氫類金剛石膜層(a-h：c)在真空或者干燥氣氛下摩擦系數(shù)可低至0.03，但隨著濕度的增加摩擦系數(shù)也迅速增加，耐磨性也大打折扣。在實(shí)際工況下設(shè)備的關(guān)鍵部件可能會(huì)承受高濕、高溫、真空等不同環(huán)境對(duì)膜層在各種環(huán)境下耐磨性提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明基于離子束技術(shù)利用磁過濾沉積(fcva)以及金屬離子源(mevva)系統(tǒng)制備了tic-mos2-tis2-ni-(a：h-c)多相共混的膜層。綜合超硬相tic在高溫高濕環(huán)境下的高耐磨性，二硫化物和含氫類金剛石膜層在高真空、低濕環(huán)境下的超低摩擦系數(shù)來自主適應(yīng)環(huán)境的變化。

本發(fā)明實(shí)施例的目的之一是結(jié)合tic的高硬度、高韌性以及mos2，dlc膜層的超低摩擦系數(shù)，同時(shí)利用金屬真空蒸汽離子源(mevva)以及磁過濾真空弧沉積系統(tǒng)(fcva)，從而提出一種全新的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

進(jìn)一步來講，該多相共混超潤滑固體潤滑膜層方法包括：在所述基材表面制備金屬″釘扎層″；在所述″釘扎層″上進(jìn)行合金過渡層沉積，形成釋放應(yīng)力層；在所述釋放應(yīng)力層上沉積多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

在一些實(shí)施例中，所述基材注入形成″釘扎層″包括：利用金屬真空蒸汽離子源(mevva)，向所述基材層注入合金，采用的靶材為為timoni合金靶材，靶材成分ti(20-80％)，mo(30-50％)，ni(20-40％)，；其中，合金元素的注入電壓為4～12kv，束流強(qiáng)度為1～10ma，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度為70～120nm。

在一些實(shí)施例中，在所述金屬″釘扎層″上進(jìn)行合金沉積包括：利用所述磁過濾真空弧沉積(fcva)系統(tǒng)，在所述金屬″釘扎層″上，磁過濾沉積出合金應(yīng)力釋放層；其中，所述釋放層的合金元素為ti、mo、ni合金，厚度為10～500nm。

在一些實(shí)施例中，在所述基材應(yīng)力釋放層表面制備多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)，金屬真空蒸汽離子源系統(tǒng)同時(shí)工作，在應(yīng)力釋放層表面沉積多相共混的超潤滑固體潤滑膜層，離子束注入和磁過濾沉積同時(shí)通乙炔和硫化氫氣體得到共混潤滑膜層；其中，所述固體潤滑膜層厚度為1～10μm，乙炔進(jìn)氣量在100～250sccm，硫化氫進(jìn)氣量為30-80sccm。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明各實(shí)施例具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、本發(fā)明實(shí)施例提出的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層，通過對(duì)基材進(jìn)行高能量的金屬元素注入，使基材亞表面原子與注入金屬形成金屬-基材原子混合的″釘扎層″結(jié)構(gòu)，這樣形成的″釘扎層″結(jié)構(gòu)與基底層乃至后續(xù)磁過濾沉積出的結(jié)構(gòu)性膜層的結(jié)合力都非常好，從而使其抗剝離強(qiáng)度得以增強(qiáng)；

2、相比磁控濺射、電子束蒸發(fā)等pvd沉積方法，磁過濾電弧沉積設(shè)備原子離化率非常高，大約在90％以上。這樣，由于原子離化率高，可使等離子體密度增加，成膜時(shí)大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結(jié)合力等；

3、磁過濾設(shè)備的高離化率非常有利于納米晶的形成與調(diào)控，如tic，ni，ti納米晶的大小等，這是磁控濺射、化學(xué)氣相沉積的瓶頸；

4、由于離子注入和磁過濾沉積同時(shí)工作：1)能夠大大降低成膜形成的內(nèi)應(yīng)力，提高膜層與基底的結(jié)合力；2)能夠進(jìn)一步提高真空室氣體的離化率，增加成膜速率；3)能夠進(jìn)一步促進(jìn)納米晶的形成，提高其成核效率。

需要說明的是，對(duì)于前述的方法實(shí)施例，為了簡(jiǎn)單描述，故將其都表述為一系列的動(dòng)作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動(dòng)作順序的限制，因?yàn)橐罁?jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其他順序或者同時(shí)進(jìn)行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說明書中所描述的實(shí)施例均屬于優(yōu)選實(shí)施例，所涉及的動(dòng)作并不一定是本發(fā)明所必需的。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明實(shí)施例的更多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將在之后的具體實(shí)施方式予以說明。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多相共混固體潤滑膜層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的fcva沉積和mevva注入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記說明

200a：h-c無定形相

201tic納米晶相

202ni/ti納米晶相

203mos2無定形相

300fcva合金陰極

301磁過濾彎管

302工件臺(tái)及負(fù)壓負(fù)端

303金屬真空蒸汽離子源陰極

304進(jìn)氣端口

方法實(shí)施例

本實(shí)施例中，在關(guān)鍵部件基底層上制備多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層，參照?qǐng)D1，其示出了本實(shí)施例固體潤滑膜制備方法，該制備方法包括以下步驟：

s100：利用金屬蒸汽真空弧(mevva)離子源，向基底層注入合金元素，形成金屬″釘扎層″。

其中，本步驟為金屬離子注入形成″釘扎層″，利用高能金屬離子注入基底，能夠形成金屬和基底材料的混合層，提高其表面后續(xù)膜層與基底的結(jié)合力。

需要指出的是，s100中，第一金屬元素為timoni合金。作為一種可選實(shí)施方式，合金元素的注入電壓為4～15kv，束流強(qiáng)度為1～15ma(含端值)，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²(含端值)，注入深度為70～120nm(含端值)。

s200：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)，在基底″釘扎層″表面，磁過濾沉積得到第一層合金膜層內(nèi)應(yīng)力釋放層。

本步驟中，可選的是，合金膜層為timoni，且厚度為10～500nm。

s300：同時(shí)利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)和金屬真空蒸汽離子源系統(tǒng)，沉積得到多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

本步驟中，同時(shí)利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)和金屬真空蒸汽離子源系統(tǒng)，磁過濾沉積得到固體潤滑膜層的總厚度為1～10微米。

合金″釘扎層″，合金應(yīng)力釋放層以及固體潤滑層，構(gòu)成了膜層的主體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)膜層利用金屬離子注入系統(tǒng)形成了合金混合″釘扎層″，使后續(xù)沉積膜層與基底材料有著非常好的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)結(jié)合了合金膜層的高彈性模量以及強(qiáng)韌性的特點(diǎn)，使其作為應(yīng)力釋放層時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

性能檢測(cè)

1)摩擦學(xué)性能分析：

分別利用磁過濾沉積(fcva)、磁控濺射和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備了四面體類金剛石膜層(ta-c)、mos2和a-h：c膜層；同時(shí)也利用本專利方法制備了多相共混的固體潤滑膜層。這些膜層分別在不同相對(duì)濕度(10％，30％、50％、80％)，不同真空度(10^-3pa，100pa，10⁵pa)下測(cè)試了膜層的摩擦系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：ta-c在相對(duì)濕度為80％是摩擦系數(shù)最低，且磨損量最小為10^-9mm³/(nm)，但在高真空度10^-3pa以及低相對(duì)濕度下摩擦系數(shù)最大。相反地，mos2和a-h：c在低相對(duì)濕度和高真空度下摩擦系數(shù)和磨損量最小，隨著濕度的增加摩擦系數(shù)迅速增加。本方法制備的多相共混的固體潤滑膜層在高濕、高真空、低濕情況下都能較好的保持低摩擦系數(shù)和低磨損量，能夠自適應(yīng)環(huán)境的變化。

2)硬度測(cè)試分析

分別用納米硬度測(cè)試了四種不同方法制備膜層的硬度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：ta-c硬度最高為75gpa，a-h：c和mos2膜層硬度最低為12gpa左右，多相共混的固體潤滑膜層硬度為25gpa。在多種軟相(a-h：c和mos2)相混情況下還能保持高硬度是該方法的獨(dú)到之處。

3)耐溫性測(cè)試

分別用高低溫循環(huán)(-200-600℃)測(cè)試了四種不同方法制備膜層的耐溫性能，發(fā)現(xiàn)ta-c，a-h：c和mos2三種膜層耐高溫性能都有限，出現(xiàn)了明顯的石墨化以及硬度的降低；然而，多相共混的固體潤滑膜層沒有明顯的硬度降低。